郭炜研究员在氮化物宽禁带半导体极性调控及应用取得系列研究进展

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宽禁带半导体以GaN、SiC等材料为代表，具备禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、高频下功率特性优良等优越性能，在半导体照明、5G通信、智能电网、新能源汽车、消费类电子、国防安全等领域拥有广阔的应用前景。与GaAs、InP等其他化合物半导体不同，纤锌矿III族氮化物如GaN、AlN、AlGaN材料由于其结构具有非中心对称特点，沿c轴方向产生强烈的自发极化，对应于金属极性（III-polar）和氮极性（N-polar）两种极性面，在薄膜内部产生方向相反的极化电荷和内建电场。充分利用氮化物薄膜的极性特点设计器件结构，有利于提升宽禁带半导体器件量子效率并充分挖掘其应用潜能。
　　近年来，中国科学院宁波材料技术与工程研究所硅基太阳电池及宽禁带半导体团队郭炜研究员利用蓝宝石衬底上的低温结晶层调控技术设计制备了同时具有金属极性和氮极性畴的“横向极性外延结构（LPS）”，并将其应用至发光、探测和电能转换等多个领域。首先对于发光器件而言，团队构建了多层量子阱异质结与LPS同质结相耦合的紫外发光器件，实现了载流子在不同极性畴界面处的高效辐射复合，发光效率与传统结构相比提升了6倍（Guo et al. Adv. Func. Mater., 28, 1802395 （2018）），并创新性提出了“半导体三维能带理论”。该模型充分考虑了载流子在三维空间内的迁移和复合特性，有望成为解释光电子器件发光效率提升和电流拥堵效应的理论工具（Guo et al. Optica, 6, 1058 （2019）、Guo et al., Photon. Res., 8, 812 （2020）、Guo et al., J. Phys. D: Appl. Phys. 53, 483002 （2020））。

图1 基于横向极性结构制备的紫外LED发光强度分布和内量子效率分布

　　其次，在紫外光电探测领域，团队面向AlGaN基紫外探测器件的低功耗目标，结合MSM探测器结构简单、响应速率快的特点以及pin结构探测器暗电流低、在无外加偏压下可工作的“自供电”优势，在领域内首次制备了截止波长在365 nm和280 nm的可见盲和日盲探测器。以自供电可见盲探测器为例，该器件表现出比传统MSM探测器更高的响应度（933.7 mA/W）和光-暗电流比（1.2×104） （Guo et al., Opt. Lett., 46, 3203 （2021））。通过建模分析，得出器件具有自供电特性的原因主要来源于极性畴界面处的横向内建电场和不同极性畴金-半接触界面的势垒差异（Mukhopadhyay et al., JVST-B 39, 052206 （2021））。
　　最近，团队针对传统GaN基电子器件隔离漏电流大、隔离工艺复杂等不足，在新型宽禁带半导体器件隔离工艺开发方面取得了新进展。团队制备了基于极性调控的自隔离高电子迁移率晶体管（HEMT）阵列，隔离区尺寸3μm条件下两端隔离漏电流低至3×10-14 A，两端击穿电压＞2600V，高于传统台面隔离电压1000V以上，器件开关比＞109，亚阈值斜率61 mV/dec，接近理论极限值60 mV/dec，证明了基于极性调控实现HEMT自隔离的可行性以及应用至高密度单片集成电路芯片的广阔前景（Dai et al., Appl. Phys. Lett., 121, 012104 （2022））。
　　团队通过多年的氮化物极性调控和器件结构设计基础研究，掌握了横向极性结构制备和载流子输运、复合、收集的关键机理。上述工作得到了中科院青促会（2020298）、国家自然科学基金青年基金（61704176）、面上基金（61974149）、联合基金（U21A20498）和浙江省杰青基金（LR22F040004）的支持。
        文章来源：宁波材料所
        郭炜，博士,中国科学院宁波材料技术与工程研究所副研究员，硕士生导师。2010年本科毕业于上海交通大学，2014年博士毕业于美国北卡罗来纳州立大学。2015年2月加入美国应用材料有限公司任研发工程师，2016年加入中科院宁波材料所。研究方向专注于第三代半导体材料与器件。目前在AlGaN 材料外延和极性调控、新型紫外LED/紫外激光器、GaN/AlGaN 电子电力器件等领域取得了较多国内外领先成果。在SCI 期刊杂志发表论文40 篇，论文引用600 余次，申请中国发明专利8 项。郭博士获得了浙江省钱江人才称号、宁波市“3315 创新团队计划”人才称号、宁波市镇海区引进高层次人才称号等奖励。